畢業(yè)論文（設計）交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)設計

1、畢業(yè)論文（設計）交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)設計 摘要近年來,交流電機變頻調(diào)速及其相關技術的研究己成為現(xiàn)代電氣傳動領域的一個重要課題,并且隨著新的電力電子器件和微處理器的推出以及交流電機控制理論的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術還將會取得巨大進步。本文對變頻調(diào)速理論，逆變技術，spwm產(chǎn)生原理進行了研究，在此基礎上設計了一種新型數(shù)字化三相spwm變頻調(diào)速系統(tǒng)，以8051控制專用集成芯片 sa4828為控制核心，采用igbt作為主功率器件，同時采用exb840構(gòu)成igbt的驅(qū)動電路，整流電路采用二極管，可使功率因數(shù)接近1，并且只用一級可控的功率環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)比較簡單。本文在控制上采用恒控制，同時，軟件程序使

2、得參數(shù)的輸入和變頻器運行方式的改變極為方便，新型集成元件的采用也使得它的開發(fā)周期短。另外，本文對sa4828三相spwm波發(fā)生器的使用和編程進行了詳細介紹，完成了整個系統(tǒng)控制部分的軟硬件設計。關鍵詞:變頻調(diào)速，正弦脈寬調(diào)制，控制，sa4828波形發(fā)生器目錄摘 要i第一章 概 述11.1變頻調(diào)速技術簡介 11.2 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢2 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀2 變頻器技術的發(fā)展趨勢21.3 研究的目的與意義31.4本次設計方案簡介4 變頻器主電路方案的選定4 系統(tǒng)原理框圖及各部分簡介5第二章 交流異步電動機變頻調(diào)速原理及方法2.1 三相異步電機工作的基本原理7 異步電機的等效電路7 異步電機變頻調(diào)

3、速原理82.2 變頻調(diào)速的控制方式及選定9 比恒定控制10第三章 變頻器主電路設計3.1 主電路的工作原理16 主電路各部分的設計16 變頻器主電路設計的基本工作原理173.2 主電路參數(shù)計算20第四章 控制回路設計4.1 驅(qū)動電路設計21m波生成芯片特點和引腳功能21 sa4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理224.2 保護電路24 過、欠壓保護電路設計24 過流保護設計264.3 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)27總結(jié)參 考 文 獻致謝 序言 變頻調(diào)速技術是一種以改變交流電動機的供電頻率來達到交流電動機調(diào)速目的的技術。20世紀70年代以后，電力電子技術和微電子技術以驚人的速度向前發(fā)展，變頻調(diào)速傳動技術也隨之取得了日

4、新月異的進步，開始出現(xiàn)了通用變頻器。進入90年代通用變頻器以其優(yōu)異的控制性能，在調(diào)速領域獨樹一幟并在工業(yè)領域及家電產(chǎn)品中得到迅速推廣。） 第一章 緒論1.1 變頻調(diào)速技術簡介變頻調(diào)速技術是一種以改變交流電動機的供電頻率來達到交流電動機調(diào)速目的的技術。大家都知道，目前，無論哪種機械調(diào)速，都是通過電機來實現(xiàn)的從大范圍來分電機有直流電機和交流電機。由于直流機調(diào)速容易實現(xiàn)。但直流機固有的缺點：滑環(huán)和碳刷要經(jīng)常拆換，給人們帶來太大的麻煩。因此，簡單可靠的籠式交流電機就出現(xiàn)了定子調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串極調(diào)速等交流調(diào)速方式。當然也出現(xiàn)了滑差電機、繞線式電機、同步電力電子技術、微電子技術

5、和信息技術的發(fā)展，出現(xiàn)了變頻調(diào)速技術，它一出現(xiàn)就以其優(yōu)異的性能逐步取代其它交流電機調(diào)速方式，乃至直流電機調(diào)速，而成為電氣傳動的中樞。它功能豐富，可以適用于不同的負載和場合，特別是進入20世紀90年代，隨著半導體開關器件igbt、矢量控制技術的成熟，微機控制的變頻調(diào)速成為主流，調(diào)速后異步電動機的靜、動態(tài)特性已經(jīng)可以和直流調(diào)速相媲美。隨著變頻器的專用大規(guī)模集成電路、半導體開關器件、傳感器的性能越來越高，進一步提高變頻器的性能和功能已成為可能?，F(xiàn)在的變頻器功能很多，操作也很方便，其壽命和可靠性也較以前有了很大的進步。所謂變頻就是利用電力電子器件 如功率晶體管gtr、絕緣柵雙極型晶體管igbt 將50

6、hz的市電變換為用戶所要求的交流電或其他電源。它分為直接變頻 又稱交-交變頻 ，即把市電直接變成比它頻率低的交流電，大量用在大功率的交流調(diào)速中;間接變頻 又稱交-直-交變頻 ，即先將市電整流成直流，再變換為要求頻率的交流。它又分為諧振變頻和方波變頻。前者主要用于中頻加熱，方波變頻又分為等幅等寬和spwm變頻。常用的方法有正弦波 調(diào)制波 與三角波 載波 比較的spwm法、磁場跟蹤式spwm法和等面積spwm法等。 本設計所設計的題目屬于間接變頻調(diào)速技術。它主要包括整流部分、逆變部分、控制部分及保護部分等。逆變環(huán)節(jié)為三相spwm逆變方式。 1.2 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀變頻技術和

7、變頻器制造己經(jīng)從一般意義的拖動技術中分離出來，成為世界各國在工業(yè)自動化和機電一體化領域中爭強占先的陣地，各發(fā)達國家更是在該技領域注入了極大的人力、物力、財力，使之目前己經(jīng)進入了高新技術行業(yè)。就變頻技術而言，目前日本、美國及法國、荷蘭、丹麥等國家可以說是齊頭并進，不分伯仲。在這一領域的研制、生產(chǎn)方面，220kw功率以上的變頻器基本被歐、美等國家壟斷如德國的西門子 siemen 、丹佛斯 danfoss ，美國的ab.oe公司、歐洲的abb等。中小容85%為日本產(chǎn)品和臺灣產(chǎn)品所占領，如富士 fuji ,三墾 samco 、東芝 toshiba 、松下 panasonic 、三菱 mitsubish

8、i 、安川以及臺灣的臺達。由于這些國家、地區(qū)的工業(yè)基礎好、制造業(yè)發(fā)達、開發(fā)生產(chǎn)能力強，所以他們生產(chǎn)的變頻器適應范圍廣，生產(chǎn)己經(jīng)初具規(guī)模變頻器應用普及率在以上。我國的變頻器深圳華為電氣 現(xiàn)己經(jīng)改名安圣電氣 、伴靈電氣、成都森蘭、大連普傳科技都是變頻器研究、開發(fā)產(chǎn)的高新技術企業(yè)，擁有雄厚的技術實力相信不久的將來可以取代國外品牌創(chuàng)建我們自己的國產(chǎn)名牌。 變頻器技術的發(fā)展趨勢隨著it技術的迅速普及，以及人類思維理念的改變，變頻器相關技術的發(fā)展迅速，未來主要朝以下幾個方面發(fā)展2：1.網(wǎng)絡智能化智能化的變頻器買來就可以用，不必進行那么多的設定，而且可以進行故障自診斷、遙控診斷以及部件自動置換，從而保證變頻

9、器的長壽命。利用互聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)多臺變頻器聯(lián)動，甚至是以工廠為單位的變頻器綜合管理控制系統(tǒng)。2.專門化和一體化變頻器的制造專門化，可以使變頻器在某一領域的性能更強，如風機、水泵用變頻器、電梯專用變頻器、起重機械專用變頻器、張力控制專用變頻器等。除此以外，變頻器有與電動機一體化的趨勢，使變頻器成為電動機的一部分，可以使體積更小，控制更方便。3.環(huán)保無公害保護環(huán)境，制造“綠色”產(chǎn)品是人類的新理念。21世紀的電力拖動裝置應著重考慮：節(jié)能，變頻器能量轉(zhuǎn)換過程的低公害，使變頻器在使用過程中的噪聲、電源諧波對電網(wǎng)的污染等問題減少到最小程度。4.適應新能源現(xiàn)在以太陽能和風力為能源的燃料電池以其低廉的價格嶄露頭

10、角，有后來居上之勢。這些發(fā)電設備的最大特點是容量小而分散，將來的變頻器就要適應這樣的新能源，既要高效，又要低耗?，F(xiàn)在電力電子技術、微電子技術和現(xiàn)代控制技術以驚人的速度向前發(fā)展，變頻調(diào)速傳動技術也隨之取得了日新月異的進步。這種進步集中體現(xiàn)在交流調(diào)速裝置的大容量化變頻器的高性能化和多功能化結(jié)構(gòu)的小型化1.3 研究的目的與意義隨著交流傳動電動機調(diào)速的理論問題的突破和調(diào)速裝置 主要指變頻器 性能的完善，交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的性能差的缺點已經(jīng)得到了克服，目前，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能已經(jīng)可以和直流系統(tǒng)相媲美，甚至可以超過直流系統(tǒng)。由于交流調(diào)速不斷顯示其本身的優(yōu)越性和巨大的社會效益，使變頻器具有越來越旺盛的生命力

11、。各種性能優(yōu)越的新型電力半導體器件的出現(xiàn)，如既能控制導通又能控制關斷的門極可關斷晶閘管gto具有良好功率轉(zhuǎn)換效率和適于在高頻大功率情況下工作的mosfet既有管柵極驅(qū)動電壓功率小和驅(qū)動線路簡單，又有雙極性功率晶體管導通飽和壓降小優(yōu)點的絕緣柵雙極性大功率igbt；以及內(nèi)部既有大功率開關器件，又有各種驅(qū)動電路和過壓、過流等保護電路的智能型功率模塊ipm等器件的應用，不僅使交流調(diào)速系統(tǒng)控制裝置體積小，效率高，而且還更容易實現(xiàn)各種功能復雜但在結(jié)構(gòu)上簡單的控制方案，更加充實和推動了變頻器理論的進一步發(fā)展。信號的專用集成電路以及各種單片機和計算機系統(tǒng)用的微處理器和接口芯片的大量問世為高質(zhì)量的控制創(chuàng)造了良好

12、的條件。建立在電機統(tǒng)一理論和機電一體化理論基礎上的各種先進控制方案，通過快速檢測電流實現(xiàn)pwm控制的變頻技術，通過直接控制轉(zhuǎn)矩來快速控制轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速自調(diào)整技術，以及具有很強抗擾能力的變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)等等，都極大地豐富了電機調(diào)速領域的內(nèi)容。1.4 本次設計方案簡介 變頻器主電路方案的選定變頻器最早的形式是用旋轉(zhuǎn)發(fā)電機組作為可變頻率電源，供給交流電動機。隨著電力半導體器件的發(fā)展，靜止式的變頻電源成為了變頻器的主要形式。靜止式變頻器從變換環(huán)節(jié)分為兩大類：交直交和交交。1.交交型變頻器它的功能是把一種頻率的交流電直接變換成另一種頻率的交流電。由于中間不經(jīng)過直流環(huán)節(jié)不需換流，1/31/2,所以不能高速運行。

13、.交直交型變頻器交直交它根據(jù)直流部分電流、電壓的不同形式，又可分為電壓型和電流型兩種由于電壓型變頻器是作為電壓源向交流電動機提供交流電功率，它主要適用于中、小容量的交流傳動系統(tǒng)。與之相比電流型變頻器施加于負載上的電流值穩(wěn)定不變，其特性類似于電流源交直交型 系統(tǒng)原理框圖及各部分簡介本文設計的交直交變頻器由以下幾部分組成，如圖1.1所示。圖1.1 系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)各組成部分簡介：供電電源：電源部分因變頻器輸出功率的大小不同而異，小功率的多用單相220v，中大功率的采用三相380v電源。因為本設計中采用中等容量的電動機，所以采用三相380v電源。整流電路：整流部分將交流電變?yōu)槊}動的直流電，必須加以濾

14、波。在本設計中采用三相不可控整流。它可以使電網(wǎng)的功率因數(shù)接近1。濾波電路：因在本設計中采用電壓型變頻器，所以采用電容濾波，中間的電容除了起濾波作用外，還在整流電路與逆變電路間起到去耦作用，消除干擾。逆變電路：逆變部分將直流電逆變成我們需要的交流電。在設計中采用三相橋逆變，開關器件選用全控型開關管igbt。電流電壓檢測：一般在中間直流端采集信號，作為過壓，欠壓，過流保護信號?？刂齐娐罚翰捎?051單片機和spwm波生成芯片sa4828，控制電路的主要功能是接受各種設定信息和指令，根據(jù)這些指令和設定信息形成驅(qū)動逆變器工作的信號。這些信號經(jīng)過光電隔離后去驅(qū)動開關管的關斷。極 對 數(shù)：p 2。第二章

15、交流異步電動機變頻調(diào)速原理及方法2.1 三相異步電機工作的基本原理 異步電機的等效電路異步電動機的轉(zhuǎn)子能量是通過電磁感應而得來的。定子和轉(zhuǎn)子之間在電路上沒有任何聯(lián)系，其電路可用圖2.1來表示3。圖2.1異步電動機的定、轉(zhuǎn)子圖圖2.1中：定子的相電壓；定子的相電流； 定子每相繞組的電阻和漏抗；、分別是轉(zhuǎn)子電路產(chǎn)生的電動勢、電流、漏電抗；每相定子繞組反電動勢，它是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生的。其有效值可計算如下： （2-1）式中: 氣隙磁通在定子每相中感應電動勢有效值；定子頻率；定子每相繞組中串聯(lián)匝數(shù)；基波繞組系數(shù)；極氣隙磁通。由電動機的基礎知識可知：轉(zhuǎn)子回路的頻率 ，與轉(zhuǎn)差率成正比，所以轉(zhuǎn)子回路

16、中的各電量也都與轉(zhuǎn)差率成正比。為了方便定量分析定、轉(zhuǎn)子之間的各種數(shù)量關系，應將定子、轉(zhuǎn)子放在一個電路中。由于定子、轉(zhuǎn)子回路的頻率、繞組、匝數(shù)不同，故必須進行折算。根據(jù)電機學原理，在下列假定條件下：a.忽略空間和時間諧波，各繞組的自感和互感都是線性的；b.忽略磁飽和；c.忽略鐵損?？梢缘玫诫妱訖C的t形等效電路圖，由于交流異步電動機三相對稱，所以現(xiàn)只取a相進行計算分析。a相的t形等效電路如圖2.2所示。圖2.2 電動機的t形等效電路圖圖2.2中：勵磁電阻，是表征異步電動機鐵心損耗的等效電阻；勵磁電抗，是表征鐵心磁化能力的一個參數(shù)；勵磁電流；機械負載的等效電阻，在 ,在上消耗的功率就相當于異步電動機

17、輸出的機械功率；等參數(shù)經(jīng)過折算后的轉(zhuǎn)子參數(shù)。 異步電機變頻調(diào)速原理交流異步電動機是電氣傳動中使用最為廣泛的電動機類型。根據(jù)統(tǒng)計，我國異步電動機的使用容量約占拖動總?cè)萘康陌顺梢陨?，因此了解異步電動機的調(diào)速原理十分重要。交流異步電動機是電氣傳動中使用最為廣泛的電動機類型。根據(jù)統(tǒng)計，我國異步電動機的使用容量約占拖動總?cè)萘康陌顺梢陨希虼肆私猱惒诫妱訖C的調(diào)速原理十分重要。交流調(diào)速是通過改變電定子繞組的供電的頻率來達到調(diào)速的目的的，但定子繞組上接入三相交流電時，定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的磁場，它與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應電動勢，出現(xiàn)感應電流，此電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。使電動機轉(zhuǎn)起來。電

18、機磁場轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速，用表示： （2-7） 式中：為三相交流電源頻率，一般是50hz；為磁極對數(shù)。當 1是， 3000rmin； 2時， 1500rmin。由上式可知磁極對數(shù)越多，轉(zhuǎn)速就越慢，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速比磁場的同步轉(zhuǎn)速要慢一點，所以稱為異步電動機，這個差別用轉(zhuǎn)差率表示： （2-8）在加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動瞬間， 0，這時 1；啟動后的極端情況 ，則 0，即在01之間變化，一般異步電動機在額定負載下的 1%6%。綜合（2-7）和（2-8）式可以得出： （2-9）由式（2-9）可以看出，對于成品電機，其極對數(shù)已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率的變化不大，則電機的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以

19、改變電機的同步轉(zhuǎn)速，進而達到異步電機調(diào)速的目的。2.2 變頻調(diào)速的控制方式及選定 比恒定控制比恒定控制是異步電動機變頻調(diào)速中最基本的控制方式。它是在改變變頻器輸出電壓頻率的同時改變輸出電壓的幅值，以維護電機磁通基本恒定，從而在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，使電動機的效率、功率因數(shù)不下降。控制是目前通用變頻器中廣泛采用的控制方式。三相交流異步電動機在工作過程中鐵心磁通接近飽和狀態(tài)，從而使鐵心材料得到充分的利用。在變頻調(diào)速的過程中，當電動機電源的頻率發(fā)生變化時，電動機的阻抗將隨之變化，從而引起勵磁電流的變化，使電動機出現(xiàn)勵磁不足或勵磁過強。在勵磁不足時電動機的輸出轉(zhuǎn)矩將降低，而勵磁過強時又會使鐵心中的磁通處于

20、飽和狀態(tài)，是電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的功率損耗，降低電動機的效率和功率因數(shù)。因此在改變頻率進行調(diào)速時，必須采取措施保持磁通恒定為額定值。由電機理論知道，電機定子的感應電勢有效值是：則 即 （2-10）另外，電機的電磁轉(zhuǎn)矩為: （2-11）其中 與電動機有關的常數(shù)；cos轉(zhuǎn)子每相電路功率因數(shù)；轉(zhuǎn)子電壓與電流的相位差；電機的電磁轉(zhuǎn)矩。由式 2-10 推斷，若不變，當定子電源頻率增加，將引起氣隙磁通減小；而由式 2-11 可知，減小又引起電動機電磁轉(zhuǎn)矩減小，這就出現(xiàn)了頻率增加，而負載能力下降的情況。在不變時，而定子電源頻率減小，又將引起增加,增加將導致磁路飽和，勵磁電流升高，從而導致電

21、動機發(fā)熱，嚴重時會因繞組過熱而損壞電動機。由以上情況可知:變頻調(diào)速時，必須使氣隙磁通不變。因此，在調(diào)節(jié)頻率的同時，必須對定子電壓進行協(xié)調(diào)控制，但控制方式隨運行頻率在基頻以下和基頻以上而不同。1.基頻以下調(diào)速由式 2-10 可知，要保持不變，當頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低,使 常值只要保持為常數(shù)，就可以達到維持磁通恒定的目的。因此這種控制又稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。根據(jù)電機端電壓和感應電勢的關系式： 2-12 式中: -定子相電壓； -定子電阻； -定子阻抗； -定子電流。當電機在額定運行情況下，電機定子電阻和漏阻抗的壓降較小，和可以看成近似相等，所以保持 常數(shù)即可。由于比

22、恒定調(diào)速是從基頻向下調(diào)速，所以當頻率較低時，與 都變小，定子漏阻抗壓降 主要是定子電阻壓降 不能再忽略。這種情況下，可以人為地適當提高定子電壓以補償電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。變頻后的機械特性如圖2.4所示。圖2.4 電動機低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機械特性從圖2.4中可以看出，當電動機向低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時,曲線近似平行地下降，減速后的電動機仍然保持原來較硬的機械特性；但是臨界轉(zhuǎn)矩卻隨著電動機轉(zhuǎn)速的下降而逐漸減小，這就是造成了電動機負載能力的下降。臨界轉(zhuǎn)矩下降的原因可以如下解釋：為了使電動機定子的磁通量保持恒定，調(diào)速時就要求感應電動勢與電源頻率的比值不變，為了使控制容易實現(xiàn)，采用

23、電源電壓來近似代替，這是以忽略定子阻抗壓降作為代價，當然存在一定的誤差。顯然，被忽略的定子阻抗壓降在電壓中所占的比例大小決定了它的影響。當?shù)臄?shù)值相對較高時，定子阻抗壓降在電壓中所占的比例相對較小，所產(chǎn)生的誤差較少；當?shù)臄?shù)值較低時，定子阻抗壓降在電壓中所占的比例下降，而定子阻抗的壓降并不按同比例下井，使得定子阻抗壓降在電壓中的比例增大，已經(jīng)不能再滿足。此時如果仍以代替，將帶來很大的誤差。因為定子阻抗壓降所占的比例增大，使得實際上產(chǎn)生的感應電動勢減小，的比值減小，造成磁通量減小，因而導致電動機的臨界轉(zhuǎn)矩的下降。變頻后機械特性的降低將是電動機帶負載能力減弱，影響交流電動機變頻調(diào)速的使用。一種簡單的解

24、決方法就是所示的轉(zhuǎn)矩補償法。轉(zhuǎn)矩補償法的原理是：針對頻率降低時，電源電壓成比例地降低引起的的下降過低，采用適當?shù)奶岣唠妷旱姆椒▉肀３执磐亢愣?，使電動機轉(zhuǎn)矩回升，因此，有些變頻器說明書又稱它為轉(zhuǎn)矩提升（torque boost）。帶定子壓降補償?shù)膲侯l比控制特性示于圖2.5中的b線，無補償?shù)目刂铺匦詣t為a線。定子降壓補償只能補償于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機械特性，而對向高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機械特性不能補償。圖2.5 壓頻比控制特性曲線補償后的機械特性曲線如圖2.6所示。圖2.6 補償后的機械特性曲線2.在基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從額定頻率向上增高，但是電壓卻不能超出額定電壓，由式

25、（2-10）可知，這將迫使磁通與頻率成反比例降低。這種調(diào)速方式下，轉(zhuǎn)子升高時轉(zhuǎn)矩降低，屬于恒功率調(diào)速方式。變頻后的機械特性如圖2.7所示。圖2.7 電動機高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機械特性當電動機向高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時，曲線不僅臨界轉(zhuǎn)矩下降，而且曲線工作段的斜率開始增大，使得機械特性變軟。造成這種現(xiàn)象的原因是：當頻率升高時，電源電壓不可能相應升高。這是因為電動機繞組的絕緣強度限制了電源電壓不能超過電動機的額定電壓，所以，磁通量將隨著頻率的升高反比例下降。磁通量的下將使電動機的轉(zhuǎn)矩下降，造成電動機的機械特性變軟。以上調(diào)速方式相應的特性曲線如圖2.8所示。圖2.8整個頻率調(diào)速的特性曲線注：圖中曲線

26、1在低頻時沒有定子降壓補償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線 圖中曲線2在低頻時有定子降壓補償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線比恒定控制存在的主要問題是低速性能差。其原因一方面是低速時定子的電壓和電勢近似相等條件已不能滿足，所以仍按比恒定控制就不能保持電機磁通恒定，而電機磁通的減小勢必會造成電機的電磁轉(zhuǎn)矩減小。另一方面原因是低速時逆變器橋臂上、下開關元件的導通時間相對較短，電壓下降，而且它們的互鎖時間也造成了電壓降低，從而引起轉(zhuǎn)矩脈動，在一定條件下這將會引起轉(zhuǎn)速、電流的振蕩，嚴重時會導致變頻器不能運行。第三章 變頻器主電路設計3.1 主電路的工作原理變頻調(diào)速實際上是向交流異步電動機提供一個頻率可控的電源。能實現(xiàn)這個

27、功能的裝置稱為變頻器。變頻器由兩部分組成：主電路和控制電路，其中主電路通常采用交-直-交方式，先將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，再將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電。圖3.1 電壓型交直交變頻調(diào)速主電路 主電路各部分的設計1.交直電路設計選用整流管組成三相整流橋，對三相交流電進行全波整流。整流后的電壓為 1.35×380v 513v。濾除整流后的電壓波紋，并在負載變化時保持電壓平穩(wěn)。的充電電流很大，過大的沖擊電流可能會損壞三相整流橋中的二極管，為了保護二極管，在電路中串入限流電阻，從而使電容的充電電流限制在允許的范圍內(nèi)。當充電到一定程度，使閉合，將限流電阻短路。在許多下新型的變頻器中，已有晶閘管替

28、代。電源指示燈hl除了指示電源通電外，還作為濾波電容放電通路和指示。由于濾波電容的容量較大，放電時間比較長（數(shù)分鐘），幾百伏的電壓會威脅人員安全。因此維修時，要等指示燈熄滅后進行。為制動電阻，和的作用就是消耗掉這部分能量。如圖3.1所示，當直流中間電路上電壓上升到一定值，制動三極管導通，將回饋到直流電路的能量消耗在制動電阻上。2.直交電路組成三相逆變橋，將直流電逆變成頻率可調(diào)的交流電，逆變管在這里選用igbt。的作用是：當逆變開關管由導通變?yōu)榻刂箷r，雖然電壓突然變?yōu)榱悖怯捎陔妱訖C線圈的電感作用，儲存在線圈中的電能開始釋放，續(xù)流二極管提供通道，維持電流在線圈中流動。另外，當電動機制動時，續(xù)流

29、二極管為再生電流提供通道，使其回流到直流電源。，電容，二極管組成緩沖電路，來保護逆變管。由于開關管在開通和關斷時，要受集電極電流和集電極與發(fā)射極間的電壓的沖擊，因此要通過緩沖電路進行緩解。當逆變管關斷時，迅速上升，迅速降低，過高增長的電壓對逆變管造成危害，所以通過在逆變管兩端并聯(lián)電容（）來減小電壓增長率。當逆變管開通時，迅速下降，迅速升高，并聯(lián)在逆變管兩端的電容由于電壓降低，將通過逆變管放電，這將加速電流的增長率，造成igbt的損壞。所以增加，限制電容的放電電流?？墒钱斈孀児荜P斷時，該電阻又會阻止電容的充電，為了解決這個矛盾，在電阻兩端并聯(lián)二極管（），使電容充電時避開電阻，通過二極管充電。放電

30、時，通過電阻放電，實現(xiàn)緩沖功能。 變頻器主電路設計的基本工作原理1.整流電路整流電路是把交流電變換為直流電的電路。本設計中采用了三相橋式不控整流電路，主要優(yōu)點是電路簡單，功率因數(shù)接近于1，由于整流電路原理比較簡單，設計中不再做詳細的介紹5。2.逆變的基本工作原理將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的過程稱為逆變。完成逆變功能的裝置叫做逆變器，它是變頻器的主要組成部分，電壓性逆變器的工作原理如下：（1）單相逆變電路在圖3.2的單相逆變電路的原理圖中：當、同時閉合時，電壓為正；、同時閉合時，電壓為負。由于開關的輪番通斷，從而將直流電壓逆變成了交流電壓。可以看到在交流電變化的一個周期中，一個臂中的兩個開關如：、交替

31、導通，每個開關導通電角度。因此交流電的周期（頻率）可以通過改變開關通斷的速度來調(diào)節(jié)，交流電壓的幅值為直流電壓幅值。圖3.2 單相逆變器原理圖（2）三相逆變電路三相逆變電路的原理圖見圖3.3所示。圖3-3中，組成了橋式逆變電路，這6個開關交替地接通、關斷就可以在輸出端得到一個相位互相差的三相交流電壓。當、閉合時，為正；、閉合時，為負。用同樣的方法得：當、同時閉合和、同時閉合，得到,同時閉合和、同時閉合，得到。為了使三相交流電、在相位上依次相差；各開關的接通、關斷需符合一定的規(guī)律，其規(guī)律在圖3.3b中已標明。根據(jù)該規(guī)律可得、波形如圖3.3c 所示。結(jié)構(gòu)圖 b 開關的通斷規(guī)律 c 波形圖圖3.3 三

32、相逆變器原理圖觀察6個開關的位置及波形圖可以發(fā)現(xiàn)以下兩點：各橋臂上的開關始終處于交替打開、關斷的狀態(tài)如、。各相的開關順序以各相的“首端”為準，互差電角度。如比,滯后，比滯后。上述分析說明，通過6個開關的交替工作可以得到一個三相交流電，只要調(diào)節(jié)開關的通斷速度就可調(diào)節(jié)交流電頻率，當然交流電的幅值可通過的大小來調(diào)節(jié)。3.2 主電路參數(shù)計算根據(jù)前面所給出的原始參數(shù)，主電路各部分的計算如下6：1.整流二極管的參數(shù)計算（峰值電流） ×15.6 22.06a（有效值） （1.52）id/1.57 （23） （23）××3802.濾波電容系統(tǒng)采用三相不控整流，經(jīng)濾波后 1.1&#

33、215;×3803.制動部分擊穿電壓：當線電壓為380v時，根據(jù)經(jīng)驗值選1000v。集電極最大電流：按照正常電壓流經(jīng)電流的兩倍來計算 2×591.05/18.94 62.41a4.igbt的選用 （22.5）×1.1××380 （1.22） （1.22）×××-發(fā)射極額定電壓×1477.63v 1773.16v第四章 控制回路設計控制回路是為變頻器的主電路提供通斷信號的電路，其主要任務是完成對逆變器開關元件的開關控制。控制方式有模擬控制和數(shù)字控制兩種，本設計中采用的是以微處理器為核心的全數(shù)字控制，優(yōu)點是它

34、采用簡單的硬件電路，主要依靠軟件來完成各種控制功能，以充分發(fā)揮微處理器計算能力和軟件控制靈活性高的特點來完成許多模擬量難以實現(xiàn)的功能。設計控制電路如下：4.1 驅(qū)動電路設計驅(qū)動電路的作用是逆變器中的逆變電路換流器件提供驅(qū)動信號。主電路逆變電路設計中采用的電力電子器件是igbt，故稱為門極驅(qū)動電路。以下將介紹spwm技術工作原理和設計中所選用能產(chǎn)生spwm波芯片sa4828的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。 spwm波生成芯片特點和引腳功能1.sa4828的特點全數(shù)字控制，兼容intel等多系列單片機，輸入調(diào)制波頻率范圍04khz，16位調(diào)速分辯率，載波頻率最高可達24kh，內(nèi)部rom 固化3種可選波形，最

35、小脈寬和延時時間可調(diào)，可單獨調(diào)整各相輸出以適應不平衡負載，具備看門狗定時器功能等。sa4828采用28腳封裝。下圖給出了其引腳排列示意圖和原理框圖圖4.2 sa4828引腳排列示意圖（1）輸入類管腳說明ad0ad7：8位地址與數(shù)據(jù)復用總線。set trip：復位端，低電平有效。clk：時鐘信號輸入端。mux ：總線選擇端。mux為高電平時，使用地址和數(shù)據(jù)共用的總線，這時，地址/數(shù)據(jù)管腳rs不用；當mux為低電平時，使用地址和數(shù)據(jù)分開的總線，這時，地址鎖存器ale接低電平，rs引腳要與一條地址線相連，來區(qū)分輸入的字節(jié)是地址（低電平），還是數(shù)據(jù)（高電平），通常先地址后數(shù)據(jù)。：片選輸入該控制線可使s

36、a8282與其他外圍接口芯片共享同一組總線，低電平有效。：intel motorola 總線控制write、read信號。ale：地址鎖存允許。vdd供電電源正端 +5v 。vss：供電電源負端 0v 。：輸出封鎖狀態(tài)指示，低電平表示禁止輸出。zppr：零相位脈沖輸出端。wss：波形采樣同步端口。rs：寄存器選擇端。 sa4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理sa4828為28引腳的dip或soic封裝的控制芯片，內(nèi)部具有總線控制及譯碼電路，有多種寄存器和相控邏輯電路。外部時鐘輸入經(jīng)分頻器分成設定的頻率，并生成三角形載波，三角載波與所選定的片內(nèi)三種調(diào)制波形進行比較，自動生成spwm輸出脈沖，然后通過脈沖刪

37、除電路刪除窄脈沖（圖4.3 脈沖序列中的窄脈寬因為這種脈沖不起任何作用，只會增加開關管的損耗通過脈沖延遲電路生成死區(qū)，從而保證橋上的管子不會在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間導通短路?？撮T狗定時器用來防止程序跑飛，當條件滿足時快速封鎖輸出。原理框圖sa4828的設置是通過單片機接口將數(shù)據(jù)送入sa4828芯片內(nèi)的兩個寄存器 初始化寄存器和控制寄存器 來實現(xiàn)的。初始化寄存器用于設定與交流電動機有關的基本參數(shù)，這些參數(shù)要在pwm輸出端允許輸出前設定，系統(tǒng)工作以后不允許改變?？刂萍拇嫫魇窃诠ぷ鬟^程中控制輸出脈寬調(diào)制波的狀態(tài)，從而進一步控制交流電動機的運行狀態(tài)，通常在工作時，該寄存器的內(nèi)容常被改寫，以實現(xiàn)實時對交流電動機的

38、速度進行控制。參數(shù)的設定是通過8個暫存器、來傳送的。其中和是兩個虛擬的寄存器，實際上并不存在。初始化參數(shù)要先寫入，然后通過對的寫操作將參數(shù)送入初始化寄存器，再將控制參數(shù)寫入，并通過對的寫操作將參數(shù)送入控制寄存器。sa4828各控制寄存器的地址見表ad3ad2ad1ad0地址 r0000000 h r1000101 h r2001002 h r3001103 h r4010004 h r5010105 h r1411100e h r1511110f h4.2 保護電路保護電路的主要功能是對檢測電路得到的各種信號進行運算處理，以判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常。當檢測到異常時，進行各種必要的處理1

39、2。 過、欠壓保護電路設計過壓、欠壓保護是針對電源異常、主回路電壓超過或低于一定數(shù)值時考慮的。通用變頻器輸入電源電壓允許波動的范圍一般是額定輸入電壓的士10%。通常情況下，主回路直流環(huán)節(jié)的電壓與輸入電壓保持固定關系。當輸入電源電壓過高，將使直流側(cè)電壓過高。過高的直流電壓對igbt的安全構(gòu)成威脅，很可能超過igbt的最大耐壓值而將其擊穿，造成永久性損壞。當輸入電壓過低時，雖不會對主回路元件構(gòu)成直接威脅，但太低的輸入電壓很可能使控制回路工作不正常，而使系統(tǒng)紊亂，導致輸出錯誤的觸發(fā)脈沖，造成主回路直通短路而燒壞igbt。而且較低的輸入電壓也使系統(tǒng)的抗干擾能力下降。因此有必要對系統(tǒng)的電壓進行保護。圖為

40、本文介紹的變頻器過壓保護電路。直接對直流側(cè)電壓進行檢測其中電壓信號的取樣是通過電阻和分壓得到的，電容起濾波抗干擾作用，防止電路誤動作。過壓設定值從電位器上取出。運放接成比較器的形式。當取樣電壓高于設定值時 異常情況下 ，比較器輸出高電平，光器件導通，輸出低電平保護信號。其中電阻是正反饋電阻，它的接入使正反饋有一定回差，防止取樣信號在給定點附近波動時比較器抖動，這里將過壓保護的動作值整定為額定輸入電壓的110%上取出。運放接成比較器的形式。當取樣電壓高于設定值時 正常情況下 ，比較器輸出高電平，光耦器件不導通，輸出高電平。當取樣電壓低于設定值時 欠壓情況下 ，比較器輸出低電平，光器件導通，輸出低

41、電平保護信號。其電路所示。動作值整定為輸入電壓的85%圖4.6欠壓保護電路本系統(tǒng)的故障自診斷是指在系統(tǒng)運行前，變頻器本身可以對過載、過壓、欠壓保護電路進行診斷，檢測其保護電路是否正常。因此故障自診斷功能就是由單片機控制發(fā)出各種等效故障信號，檢測對應的保護電路是否動作，若動作則說明保護電路正常，反之說明保護電路本身有故障，應停機對保護電路進行檢查，直到顯示器顯示正常為止。故障自診斷電路工作過程如下：單片機控制hso.2口發(fā)出一高電平，經(jīng)非門整形后輸出低電平，光耦器件導通，有電流流過三極管的基極，三極管導通輸出低電平，輸出的低電平自診斷信號分別送至過壓、欠壓保護電路。因sa4828的set tri

42、p端為高電平有效,所以應加上一個反相器,使其反相后輸出高電平。以下的過流信號13：圖4.7 故障自診斷電路 過流保護設計變頻器在諸如直流短路、橋臂短路、輸出短路、對地短路等情況下，電流變化非常迅速，元件將承受極大的電壓和電流，而igbt器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它在足夠大的電流下會出現(xiàn)鎖定現(xiàn)象，造成管子失控無法關斷，以至燒壞，所以過流之前必須使igbt關斷以切斷電流，雖然在igbt的驅(qū)動模塊exb84中已經(jīng)有過流保護，但考慮到過大時igbt還未來得及關斷已經(jīng)發(fā)生鎖定現(xiàn)象的可能性，必須采取輔助斷流措施。這里采用瑞士lem 公司生產(chǎn)的霍爾效應磁場補償式電流傳感器來進行電流的檢測。在此傳感器的輸出端串電阻

43、r，則r上的壓降反應了被測的電流過流發(fā)生時，上的壓降大于過流保護動作整定值，比較器lm324輸出低電平去封鎖igbt的驅(qū)動電路的輸入信號即可使橋臂上的所有igbt處于截止狀態(tài)實現(xiàn)過流保護的功能。過流保護的電路示意圖如所示4.3 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)單片機在整個控制系統(tǒng)中起著核心作用，從電流電壓的檢測到參數(shù)的計算、存儲和傳送，再到人機接口的實現(xiàn)，都是單片機在其中穿針引線，控制、協(xié)調(diào)各部分的工作。它的性能的好壞及工作的正常與否對整個控制系統(tǒng)有著重要的影響。在本設計中選用單片機課程學習到的intel公司的8051單片機。8051是高性能的單片機，因受到引腳數(shù)目的限制，它屬于地址與數(shù)據(jù)復用的單片機，可以與s

44、a4828直接接口。其內(nèi)部有4kb的rom，以下是它的引腳圖14。圖4.9 8051引腳圖因8051已經(jīng)比較常見和熟悉，這里不再詳細介紹。圖4.10是單片機的系統(tǒng)圖15。 模擬量的頻率給定通過adc0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀入8051，轉(zhuǎn)化為sa4828的控制字，以控制觸發(fā)信號的波形。adc0809是一種8路模擬輸入的8位逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器件，電位器的輸出接其輸入in0（當51單片機沒有當5l單片機沒有外擴ram和i/o口時，adc0809就可以在概念上作為一個特殊的唯一的外擴ram單元。因為它是唯一的，就沒有地址編號，也就不需要任何地址線或者地址譯碼線。只要單片機往外部ram寫入，就是寫到ad

45、c0809的地址寄存器中。只要單片機從外部ram讀取數(shù)據(jù)，就是讀取adc0809的轉(zhuǎn)換結(jié)果。）eoc轉(zhuǎn)換結(jié)束信號經(jīng)一非門接8031外部中斷1（p3.3）。8051通過地址線p2.0和讀寫信號來控制轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入通道地址鎖存，啟動允許輸出。圖4.10 單片機系統(tǒng)圖因8051的復用總線結(jié)構(gòu)，sa4828的mux引腳應該接高電平或懸空不接。8051的p0口與sa4828的ad口連接，提供8位數(shù)據(jù)和低8位地址，sa4828芯片中的地址鎖存器可以鎖存來自8051的低八位地址，從而將ad口輸入的地址和數(shù)據(jù)分開，sa4828的地址鎖存器由8051的ale引腳控制，同時連接的控制信號還有讀，寫信號,.sa4828的片選信號用8051的p2.7引腳來控制，這樣sa4